Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Строительство arrow Расчетное прогнозирование свойств и проектирование составов бетонов

Общая схема решения задач проектирования составов бетона по комплексу заданных параметров

Бетонная смесь в общем случае представляет собой систему, для которой можно постулировать условие:

где Vn- абсолютный объем n-го компонента бетонной смеси.

При использовании этого условия задача нахождения состава бетонной смеси сводится к определению расходов п-1 компонентов, например для обычного тяжелого бетона, расходов цемента, воды, песка или щебня (гравия). Определение состава бетонной смеси производится с использованием зависимостей, связывающих расходы отдельных компонентов или их соотношений с нормируемыми параметрами.

В наиболее общем виде решение задачи проектирования состава бетонной смеси заключается в решении системы уравнений:

где Рх - критерий оптимизации (расход цемента, стоимость и др.); -параметры показателей свойств бетонной смеси

и бетона; - их нормируемые значения,

параметры состава смеси.

В строительно-технологической практике наибольшее распространение получили методы проектирования составов бетона с требуемой прочностью при сжатии. Это обусловлено, во-первых, тем, что при конструктивных расчетах прочность бетона является основным его параметром, и, во-вторых, предположением, что с прочностью однозначно связаны и другие необходимые свойства бетона. Последнее предположение, однако, не является достаточно общим. Действительно, с прочностью бетона при сжатии однозначно связаны многие его свойства: прочность при изгибе, растяжении, износостойкость, кавитационная стойкость и др. Однако, не является однозначной зависимость прочности и морозостойкости, прочности и ползучести и т.д. и их расчетное определение должно быть основано на использовании комплекса специальных количественных зависимостей.

Проектирование составов бетона может рассматриваться как изолированная система (первый тип задач) и как подсистема более общих технологических систем, например проектирования бетонных и железобетонных конструкций и технологии их производства (второй тип задач). В первом случае задача заключается лишь в оптимальном рецептурном обеспечении заданных параметров, а во втором - решается дополнительно и задача оптимизации самих задаваемых параметров (удобоукла- дываемости смеси, прочности бетона и др.) (рис. 3.14).

Существующая практика предполагает, в основном, решение задач первого типа, что не всегда может оказаться достаточным. Например, стремление технологов добиться максимальной экономии цемента при проектировании бетона заданной прочности не является продуктивным, если сам показатель прочности не оптимален как с позиций эксплуатационной надежности, так и с позиций стоимости конструкций. В частности, применение бетона повышенной прочности может позволить уменьшить сечение конструкций и, таким образом, с позиций расхода цемента на единицу изделий (конструкций) а не на кубометр бетона, может оказаться более выгодным. Аналогично, не всегда экономически обоснованными являют

ся показатели удобоукладываемости бетонных смесей, от которых существенно зависят составы. Например, если критерием оптимизации составов является стоимость конструкции, применение жесткой бетонной смеси может оказаться менее выгодным, учитывая трудозатраты на укладку бетона, чем применение литой смеси, хотя последняя содержит большее количество цемента. В связи с этим представляется рациональным, там где это возможно, объединять усилия конструкторов, технологов и экономистов для комплексного решения задач технологического проектирования бетона и конструкций на его основе.

При проектировании составов бетона предполагается их многовариантность. Выбор того или иного состава определяют в конкретных условиях, исходя из принятого критерия оптимальности. Такими критериями наиболее часто могут быть минимальный расход цемента, минимальная средняя плотность бетона, минимальная стоимость бетона и др. Может быть выбран более сложный критерий, например, стоимость конструкций или даже всего сооружения в целом с учетом не только стоимости бетона, но и трудоемкости, стоимости изготовления, перевозки и монтажа конструкций.

В задачах второго типа в качестве оптимизируемых факторов состава бетонной смеси рассматриваются не только рецептурные (соотношение заполнителей, расход добавки), но технологические и конструктивные параметры.

Одним из подходов, связывающих состав бетонной смеси с технологическим процессом, является подход, разработанный Ю. Сторком. Он предложил рассматривать энергию уплотнения бетонной смеси при вибрации как один из основных параметров состава смеси, обеспечивающий в комплексе с другими факторами, необходимую прочность бетона. Исходя из этой предпосылки, Ю. Сторк вывел ряд уравнений, устанавливающих зависимость между режимом вибрации, составом и физико-механическими свойствами бетонных смесей и бетонов.

Блок-схема многопараметрического проектирования составов бетона

Рис. 3.14. Блок-схема многопараметрического проектирования составов бетона

Z Р - группа свойств бетона, связанных с определенными параметрами смеси, Z Тф- группа технологических факторов, влияющих на свойства бетона; У

  • - удобоукладываемость бетонной смеси; Rc>k - прочность бетона на сжатие; F
  • - морозостойкость бетона;; Ц/В, В, г, VBBд -- соответственно цементноводное отношение, содержание воды, доля песка в смеси заполнителей, объем вовлеченного воздуха; объем воды, отделившейся из бетонной смеси. 1 .ОпределениеКзжДля достижения Z Pi = f (Ц / В) i необходимого Ц / В.
  • 2. Определение расхода воды В для достижения Z Р2 = f (В, Ц / В).
  • 3. Определение объема вовлеченного воздуха VB в для достижения ZP3 = f(VBB, В, Ц/В).
  • 4. Определение параметра г для достижения ZP4 = f (г, VB B, В, Ц / В)

В ряде работ получены уравнения, связывающие состав бетона с режимом тепловой обработки, и рассмотрены их решения при различных критериях оптимальности.

Задачи первого типа, рассматриваемые в данной книге, можно разделить на группы: однопараметрические, двух- и многопараметрические. В основу такой классификации положено общее количество нормируемых параметров для бетонной смеси и затвердевшего бетона.

Для однопараметрических задач нормируется один параметр качества бетона (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и др.) Не нормируется обычно в строго определенных количественных границах показатель удобоуклады- ваемости смеси. Указывается лишь его качественная характеристика (смесь полусухая, жесткая, подвижная, литая). Качественно могут характеризоваться и отдельные показатели затвердевшего бетона (бетон морозостойкий, водонепроницаемый, сульфатостойкий и др.). В ряде случаев указывается способ изготовления изделий или выполнения бетонных работ. Могут указываться также условия эксплуатации конструкций. В тех случаях, когда это представляется возможным, технолог вводит в условие задачи проектирования составов количественные показатели, адекватные качественным оценкам и однопараметрическая задача проектирования состава трансформируется в двух- или многопараметрическую. В остальных случаях приходится, проектируя состав, обеспечивающий нормируемые свойства, вводить необходимые ограничения по расходу воды, В/Ц, крупности и виду заполнителей, содержанию добавки и др.

Наиболее разработанными и реализуемыми на практике являются двухпараметрические задачи, когда нормируемым свойством бетона является его прочность при сжатии (RC)K), а бетонной смеси - показатель удобоукладываемости (подвижность ОК или жесткость Ж).

Необходимую прочность бетона (отпускную, передаточную, в промежуточном и проектном возрасте) при ее нормировании по классам Ясж вычисляют по формуле:

где Яб - характеристическая прочность бетона, МПа, соответствующая его классу по прочности, указанному в нормативной или проектной документации; кт - коэффициент требуемой прочности для всех видов бетонов, принимаемый в зависимости от среднего значения группового коэффициента вариации прочности бетона Усж (табл. 3.13).

Таблица 3.13

Значение коэффициента необходимой прочности кх

Коэффи-

циент

вариации

прочности

бетона

veD%

Значение коэффициента необходимой прочности кх для бетона

всех видов (кроме плотных силикатных, ячеистых) и конструкций, кроме массивных гидротехнических

для плотного силикатного бетона

для автоклавного ячеистого бетона

для массивных гидротехнических конструкций

6 и меньше

1,07

1,06

1,08

1,09

7

1,08

1,07

1,09

1,10

8

1,09

1,08

1,10

1,11

9

1,10

1,09

1,12

1,13

10

1,14

1,12

1,13

1,14

11

1,18

1,14

1,14

1,16

12

1,23

1,18

1,17

1,18

13

1,28

1,22

1,22

1,20

13,5

1,31

1,25

1,24

1,21

14

1,33

1,27

1,26

1,22

15

1,38

1,33

1,32

1,23

16

1,43

1,39

1,37

1,25

17

1,46

1,43

1,28

18

1,50

1,32

19

1,57

1,36

продолжение табл.3.13

Коэффи-

циент

вариации

прочности

бетона

Усж,%

Значение коэффициента необходимой прочности ктдля бетона

всех видов (кроме плотных силикатных, ячеистых) и конструкций, кроме массивных гидротехнических

для плотного силикатного бетона

для автоклавного ячеистого бетона

для массивных гидротехнических конструкций

20

Область недопустимых значений kt

1,39

21 и больше

При отсутствии данных о фактической однородности бетона его средний уровень прочности Ясж при проектировании состава определяют при коэффициенте вариации Vm = 13,5% с учетом класса бетона (В) и соответственно его характеристической прочности (1%). В этом случае для всех бетонов (кроме ячеистого и силикатного):

Для решения задач этого типа широко применяются расчетно-экспериментальные методы, использующие ряд известных технологических зависимостей: прочности бетона от цементно-водного отношения, правило постоянства водопо- требности бетонных смесей, правило оптимального содержания песка и др.

Проектирование составов бетона развивается, прежде всего, в направлении учета свойств, характеризующих его долговечность и соответствие условиям эксплуатации конструкций. Еще Д. Абрамсом было отмечено, что при проектировании составов бетона должны быть обеспечены наряду с прочностью "долговечность и дешевизна". В соответствии с представлениями современной науки о качестве материалов (квалиметрии) долговечность материалов и изделий характеризуется их способностью сохранять работоспособность до некоторого предельного состояния. Работоспособность бетона лимитируется в зависимости от условий службы в конструкциях и сооружениях нормативными показателями соответствующих свойств. Как правило, для бетона трудно измерять долговечность сроком службы, как принято для ряда других материалов и изделий. Это объясняется недостаточной изученностью закономерностей развития процессов во времени, происходящих в бетоне при комплексном воздействии факторов окружающей среды, а также сложностью их моделирования. Обычно под долговечными понимают бетоны, сохраняющие работоспособность в течение проектного срока эксплуатации конструкций и сооружений.

Вклад различных агрессивных факторов в долговечность бетона определяется как условиями эксплуатации, так и его структурой и составом. Требуемая долговечность бетона обеспечивается как за счет проектирования оптимальных структуры и состава, так и технологии изготовления конструкций и возведения сооружений, ухода, защитных мер. На стадии проектирования состава обеспечение долговечности бетона требует использования надежных прогностических зависимостей для свойств, позволяющих учесть как особенности исходных материалов, так и их соотношение в бетонной смеси.

В тех случаях, когда, кроме прочности при сжатии, возникает необходимость нормирования ряда других его строительно-технических свойств, задача проектирования состава существенно усложняется. Такие задачи многопараметрического проектирования возникают при проектировании составов различных, и в особенности, специальных видов бетона (гидротехнического, дорожного, коррозионностойкого и т.д.) Их можно разделить на три подгруппы:

  • • задачи с нормируемыми параметрами, однозначно связанными с прочностью бетона при сжатии;
  • • задачи с нормируемыми параметрами, неоднозначно связанными с прочностью при сжатии;
  • • задачи, где сочетаются условия задач первой и второй подгрупп.

В первую подгруппу входят, например, задачи с различными нормируемыми показателями прочности бетона. При расчете составов таких бетонов сначала находится определяющий параметр из нормируемых свойств бетона, соответствующая ему прочность при сжатии и устанавливается минимально возможное Ц/В, обеспечивающее весь набор заданных свойств. Под "определяющим параметром" понимается такой нормируемый параметр, достижение которого предполагает одновременно достижение и всех других параметров, указанных в условии задачи.

Принципиальной особенностью таких задач является существование области Ц/В, в пределах которой находится Ц/В, обеспечивающее все нормируемые показатели. Чем уже эта область и чем ближе она к минимальному значению Ц/В, тем ближе состав к оптимальному и Ц—» min. Для достижения этого условия могут использоваться различные технологические приемы: введение добавок - регуляторов свойств, изменение условий твердения, подбор исходных материалов и др.

Нормируемыми параметрами в задачах второй подгруппы, наряду с прочностью при сжатии, могут быть ползучесть, морозостойкость, тепловыделение и т.д.

На рис. 3.15 показан пример взаимосвязи ползучести и количества цементного камня в бетоне при Rc^const. Меру ползучести бетона рассчитывали по формуле, предложенной Европейским Комитетом по бетону:

где к - коэффициент, зависящий от размеров сечения элемента (г) и влажности окружающей среды (0); В и Ц - соответственно расход воды и цемента, кг/м3. Например, при г = 2,5 см, 0 = 70%, коэффициент к = 0,92 10'6.

Из формулы (3.53) и рис. 3.15 следует, что при постоянном В/Ц и следовательно прочности бетона, ползучесть его может существенно различаться в зависимости от количества цементного камня в бетоне. Аналогично, можно показать неоднозначность зависимости прочности бетона с группой свойств, определяемых, в основном, капиллярной пористостью (водопоглоще- ние, морозостойкость и др.)

Влияние содержания цементного камня в бетоне на меру ползучести

Рис 3.15. Влияние содержания цементного камня в бетоне на меру ползучести: 1 - Re» = 20 МПа: 2-Нсж = 30 МПа

Капиллярную пористость можно рассчитывать по формуле:

где wt - количество химически связанной воды (0,47...0,52), а - степень гидратации цемента.

На рис. 3.16 приведена по данным Г.И. Горчакова номограмма капиллярной пористости бетона. Линии номограммы одинаковой пористости при Пк>0 не соответствуют постоянному В/Ц, а следовательно и постоянной прочности бетона.

Номограмма капиллярной пористости бетона

Рис. 3.16. Номограмма капиллярной пористости бетона

Параметры, нормируемые в многопараметрических задачах, могут формироваться под влиянием как одних и тех же, так и существенно различающихся технологических факторов. В вышеприведенном примере прочность при сжатии и ползучесть определяются, прежде всего, водоцементным отношением. Аналогично водоцементное отношение является основным влияющим фактором в случае, если нормируются прочность и морозостойкость (особенно при неиспользовании воздухововлекающей добавки). Однако, в отличие от задач первой подгруппы, в данном случае нормируемые параметры связаны менее жестко и необходимо наряду с В/Ц учитывать влияние других факторов.

Для решения задач данной подгруппы, так же как и предыдущей, устанавливается область В/Ц или Ц/В, которая обеспечивает нормируемые параметры, рассматриваются технологические пути ее сужения и окончательно необходимое значение нормируемого В/Ц. Регулирование нормируемого В/Ц в этих задачах возможно, однако, за счет одновременного изменения других факторов состава, в частности количества цементного теста, объема вовлеченного воздуха и др.

Например, нормируются средняя прочность бетона КсЖ=65МПа (В50) и ползучесть Стх106 = 3,5. Подвижность бетонной смеси на гранитном щебне и среднезернистом кварцевом песке принята ОК=2см. Активность цемента Ru=50Mna. По расчетной формуле прочности бетона Rc*=ARu(L|/B - 0,5) при А=0,6 В/Ц=0,38. При расходе воды В=175 л/м3 и соответственно расходе цемента Ц=460 кг/м3, мера ползучести не обеспечивается (Стх106=4,5). Для достижения нормируемого значения Стх106 необходимо уменьшить значение В/Ц. Практическое совпадение В/Ц из условий прочности и ползучести можно достичь переходом на более жесткую смесь, требующую меньшего водосодержания и соответственно обеспечивающую меньшее В/Ц.

Изменение В/Ц в зависимости от заданных значений прочности и морозостойкости бетона

Рис. 3.17. Изменение В/Ц в зависимости от заданных значений прочности и морозостойкости бетона:

1 - кривая RC>K без вовлеченного воздуха; 2 - с 20 л вовлеченного воздуха; 3 - кривая морозостойкости бетона без вовлеченного воздуха; 4 - с 20 л вовлеченного воздуха

Мощным средством уменьшения "ножниц" по В/Ц в морозо- стойких бетонах является вовлечение воздуха. Характерно при этом, что, позволяя увеличить В/Ц для достижения заданной морозостойкости, вовлеченный воздух в то же время уменьшает необходимое В/Ц из условия прочности. При этом общий положительный эффект уменьшения расхода цемента может быть весьма значительным особенно в бетонах с высокими значениями морозостойкости при умеренном нормируемом значении прочности. Из рис.3.17, в частности следует, что Rc*=20 МПа и F200 обеспечиваются без добавки вовлеченного воздуха при В/Ц=0,5, с введением вовлеченного воздуха В/Ц=0,62. При этом величина "ножниц" по В/Ц в первом случае составляет 1,15- 0,5=0,65, а во втором 0,92-0,62=0,3.

Влияние водосодержания на подвижность бетонной смеси и усадку

Рис. 3.18. Влияние водосодержания на подвижность бетонной смеси и усадку:

Примечание. Зависимость ОК от В принята для рядовых материалов; усадка бетона бус рассчитана по формуле ?ус6 = 0,125ВVb

Аналогично, "ножницы" по расходу воды образуют, например, показатели удобоукладываемости бетонной смеси и усадки бетона (рис. 3.18), по объему вовлекаемого воздуха - прочности и морозостойкости. Это требует включения в алгоритмы задач многопараметрического проектирования составов бетона специальных вычислений, связанных с определением таких значений смесевых параметров, которые обеспечивают весь комплекс нормируемых свойств.

Уменьшение интервалов необходимых смесевых параметров и сдвиг их в сторону, обеспечивающую минимально возможный расход цемента, является задачей оптимизации составов бетона с комплексом требуемых проектных показателей.

Разработка достаточно общего и доступного расчетноэкспериментального метода проектирования составов бетонных смесей с заданной удобоукладываемостью и прочностью бетона стала возможной благодаря использованию ряда допущений, сделанных на основе физических закономерностей, обусловленных влиянием структуры бетона на его свойства. Такими закономерностями являются правила водоцементного отношения, постоянства водопотребности бетонных смесей, оптимального содержания песка и др. Данные закономерности могут быть использованы и при многопараметрическом проектировании составов бетона.

При этом общая схема метода следующая:

  • 1. С учетом проектных требований к бетону, технологических условий и технико-экономического анализа выбираются исходные компоненты бетонной смеси и ее удобоукладываемость.
  • 2. В тех случаях, когда нормируются свойства бетона, однозначно связанные с прочностью бетона при сжатии RCH< (прочность при растяжении, изгибе, модуль упругости, условная растяжимость и др.), определяется значение последней, обеспечивающее заданные свойства.
  • 3. С учетом активности цемента, качественных особенностей заполнителей, условий твердения и других факторов определяется Ц/В, обеспечивающее заданные свойства.
  • 4. Для достижения требуемого показателя удобоукладывае- мости и при необходимости других свойств бетонной смеси и бетона (например, усадки) при использовании данных исходных материалов и добавок определяется расход воды (В). При этом в случае выхода за пределы правила постоянства водопотребно- сти расход воды корректируется с учетом Ц/В.
  • 5. При нормировании морозостойкости бетона рассчитывается требуемый объем эмульгированного воздуха и уточняется необходимое Ц/В.
  • 6. При найденных значениях В и Ц/В проверяется возможность достижения нормируемых свойств, которые определяются этими двумя технологическими параметрами. В случае недостижения нормируемых параметров производится дополнительное корректирование В и Ц/В с использованием при необходимости специальных технологических приемов (введение добавок и ДР-)-
  • 7. Рассчитывается с учетом окончательно найденных Ц/В и В расход цемента и проверяется выполнение ограничений, связанных с расходом цемента (тепловыделение, стойкость к коррозии И др.).
  • 8. Рассчитывается состав мелкого и крупного заполнителя при введении нескольких фракций, а затем их расходы. При выборе соотношения заполнителей наряду с достижением наилучшей удобоукладываемости и прочности принимаются во внимание и другие условия (повышенная водонепроницаемость, толщина конструкции, степень армирования и др.).
  • 9. Рассматривается возможность использования различных технологических решений, направленных на экономию цемента, снижение энергозатрат, уменьшение стоимости бетонной смеси.
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы